基于谷子杂种优势群的产量性状杂种优势相关基因挖掘及杂优分子机理研究

The clustering of heterotic groups of foxtail millet and the research of heterosis mechanism has become a research hotspot, and is the basic solution to solve unsuccessful heterosis utilization and lack of hybrid breeding goal. This project group has finished heterotic group construction and heterosis utilized models innovation of foxtail millet through a combination of molecular, mathematical and pedigree cluster. On this basis, stong heterosis hybrid, middle heterosis hybrid and weak heterosis hybrid will be produced, the high-throughput sequencing of RNA (RNA-Seq) technology was used to analyze gene differential expression between hybrids and their parents at booting stage, and combine with the yield-related traits heterosis characteristics, such as single panicle weight, grain weight per panicle and seed setting rate, to scan differentially expressed gene fragment, and then cloning, sequencing and bioinformatics will be used to mine yield heterosis-related genes and define their functions, preliminary established expression pattern and gene regulation mode of yield heterosis-related genes by examining their expression changes in both transgenic plant and control, gradually revealed the mechanism of heterosis, open up new approaches exploring the mechanism of heterosis using the heterotic group, and provide theoretical support for cultivating stong heterosis hybrid.

杂种优势群的划分及杂优机理研究已成为当前杂优研究热点，也是解决目前谷子杂交种优势不强，杂交种选育缺乏目的性的根本途径。项目组已综合运用分子、数理和系谱等聚类手段，完成了谷子杂种优势群构建和杂优模式创新工作，为开展杂种优势相关基因挖掘及杂优分子机理研究奠定了基础。本项目计划依据上述结果，配制系列强、中、弱优势杂交种，在孕穗期利用RNA-seq高通量测序技术分析不同类型杂交种与其亲本间的基因差异表达情况；结合它们在单穗重、穗粒重、结实率等产量性状方面的杂种优势特征筛选杂交种与其亲本间的差异表达基因片段；然后通过克隆、测序和生物信息学等手段，挖掘参与产量性状杂种优势形成的相关基因，并明确其功能；通过检测转基因植株和对照中相关基因表达量的变化，初步探明产量性状杂种优势相关基因的表达及调控模式，逐步揭示产量性状杂种优势形成机理，开辟利用杂种优势群研究杂优机理新途径，为培育强优势杂交种提供理论支撑。

杂种优势相关基因的挖掘及杂优机理研究已成为当前杂优研究热点，也是解决目前谷子杂交种优势不强，杂交种选育缺乏目的性的根本途径。项目组在综合运用分子、数理和系谱等聚类手段，完成了谷子杂种优势群构建和杂优模式创新工作的基础上，通过系列研究，在谷子杂种优势相关基因挖掘方面取得一定研究进展，并初步推测出谷子杂种优势产生的分子机理。主要研究结果如下：（1）依据杂种优势群划分结果，分别配制强、中、弱杂种优势杂交种15个，通过三个试点的连续鉴定，鉴定出强优势杂交种5个，中优势杂交种4个，弱优势杂交种6个，并明确了各产量性状杂种优势与产量杂种优势的关系依次为：穗粒重>出谷率>穗长>单穗重>穗粗；（2）利用RNA-seq 高通量测序技术，在谷子的孕穗期对杂交种及其亲本进行差异表达基因分析，结合不同类型的杂交种及其亲本在产量性状方面的差异，筛选并确定影响产量性状杂种优势形成的基因24个；（3）通过对测序结果的生物信息学分析，推测出调控杂种优势的信号通路；（4）依据RNA-seq结果，克隆出谷子产量性状杂种优势相关基因15个，明确了SiCDPK4、Si-10、Si-12、Si-14的序列信息、结构域、及谷子中全家族序列的提取与分类；（5）确定了SiCDPK4、Si-10、Si-12、Si-14不同组织、不同发育时期、不同类型杂交种的表达模式及部分基因的功能；（6）通过与杂种优势相关的miRNA信号通路与siCDPK4、si-10等表达模式的综合分析，明确了它们的调控模式，逐步揭示出谷子产量性状杂种优势形成的机理在于提高了对不利条件的的规避能力和有利环境条件的利用能力；（7）发表论文3 篇，其中SCI 论文1 篇；（8）申请专利 1 项；（9）取得软件著作权1项；（10）培养研究生 2 名。